摘 要:某井鉆井作業(yè)時發(fā)生了多次鉆桿擠扁現(xiàn)象。采用宏觀觀察、化學成分分析、力學性能試 驗、金相檢驗等方法對鉆桿擠扁的原因進行了分析。結果表明:鉆桿管體與卡瓦之間的嚙合接觸不 均勻造成應力分布不均勻,當局部的接觸應力超過了鉆桿管體的屈服強度而使鉆桿管體發(fā)生塑性 變形擠扁,卡瓦牙板磨損較為嚴重是導致應力分布不均勻的主要原因。

關鍵詞:S135鋼級鉆桿;卡瓦咬痕;受力不均;塑性變形

中圖分類號:TH142.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)10-0055-05

隨著高強度鉆桿的成功研發(fā)和鉆井技術的進一 步發(fā)展,鉆井的深度、水平段的長度等都有了大幅度 的提高[1]。相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),2000年以前,我國 超過7000m以上超深井的數(shù)量僅為3口,2010年 前只有19口,到2020年,已超過600口。為了減少 起下鉆時間,提高鉆井安全和效率,現(xiàn)在大部分井區(qū) 采用“一卡一吊”的起下鉆作業(yè)方式,起下鉆時通過 給卡瓦施加一個橫向載荷使其咬入鉆桿表層,通過 摩擦力克服鉆桿的重力載荷。隨著井深越大,井下 的鉆具所受重力也會越來越大,井口卡瓦對鉆桿的 夾緊力也必然會增加,卡瓦咬入的區(qū)域通常在距離 鉆桿接頭母端600~900mm的區(qū)域內(nèi),在該區(qū)域內(nèi) 留下的卡瓦咬痕或者劃痕經(jīng)常會引發(fā)鉆桿發(fā)生刺漏 現(xiàn)象[2-4],當卡瓦對鉆桿的徑向應力超過鉆桿的擠毀 強度時,鉆桿將會發(fā)生塑性變形而失效[5-6]。某井發(fā) 生了多次鉆桿擠扁變形現(xiàn)象,筆者取回了部分失效 鉆桿并結合實際工況對其進行檢驗和分析,以期類 似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

鉆桿的宏觀形貌如圖1所示,一件管體有明顯 的塑性變形,為失效鉆桿;另一件無明顯損傷,為同 批 未 失 效 鉆 桿。 鉆 桿 規(guī) 格 為 ?139.7 mm × 9.17mm,鋼級為S135,該批鉆桿的訂貨標準為API Spec5DP-2009。

為了便于表述,將失效鉆桿管段取名為1號試 樣,未失效鉆桿管段取名為2號試樣。經(jīng)觀察,1號 試樣發(fā)生了塑性變形擠扁,在擠扁區(qū)域的圓周外表 面可見牙痕損傷,如圖2所示。這些牙痕損傷分布在整個圓周表面,與起下鉆過程中卡瓦咬傷痕跡吻 合。對失效鉆桿擠扁部位進行測量,最大直徑為 146.07mm,最小直徑為135.27mm,未變形處的直 徑為139.97mm。對未變形處的管體壁厚進行測 量,管體壁厚平均值為9.93mm。

仔細觀察1號試樣擠扁變形區(qū)的整個圓周形貌, 可發(fā)現(xiàn)鉆桿管體擠扁變形不均勻,一側變形嚴重,另 一側近乎沒有變形,呈近紡錘形,如圖3所示。從圖3 還可以看出,在變形區(qū)的內(nèi)壁,涂層已損壞、破裂甚至 剝落。整個圓周外表面上的卡瓦咬痕深度并不相同, 在變形量大的兩側咬痕深,而在變形位置對應的另一 側位置則咬痕淺,如圖4所示。將外表面的卡瓦咬 痕,按順時針方向進行編號,1號咬痕和2號咬痕分 別位于最大形變區(qū)的兩側,其中,1、2、3、5號咬痕所在 位置的鉆桿內(nèi)表面,涂層均有不同程度的損傷。

1.2 化學成分分析

分別從1號和2號鉆桿試樣上取樣,采用 ARL 4460OES型直讀光譜儀對其進行化學成分分析, 結果見表1?？梢娿@桿管體材料的化學成分符合 APISpec5DP-2009標準的要求。

1.3 力學性能試驗

1號試樣已經(jīng)發(fā)生了嚴重的變形,所以其拉伸 和沖擊試樣無法取樣。根據(jù) APISpec5DP-2009標 準,從2號試樣上取全壁厚板條拉伸試樣、V型缺口 夏比沖擊試樣,從1號和2號試樣上取全壁厚圓環(huán) 硬度試樣。分別采用 WAW-600型電液伺服萬能試 驗機、JBN-300型擺錘沖擊試驗機和600MRD型數(shù) 顯洛氏硬度計進行拉伸、沖擊和硬度試驗,試驗結果 見表2和表3。由試驗結果可知,與擠扁鉆桿同批 次生產(chǎn)的2號鉆桿材料的拉伸性能、沖擊吸收能量 符合 APISpec5DP—2009標準要求;1號鉆桿試樣和2號鉆桿試樣在整個圓周的截面硬度相近,1號 鉆桿在擠扁變形區(qū)的硬度與其他區(qū)域的硬度沒有明 顯差異,比較均勻。

1.4 金相檢驗

分別從1號鉆桿試樣變形處和2號鉆桿試樣管 體上取金相試樣,依照 GB/T13298-2015《金屬顯 微組織檢驗法》對其進行金相檢驗,金相試樣用4% (體積分數(shù))的硝酸酒精溶液浸蝕,然后在 GX51型 倒置金相顯微鏡下觀察橫截面顯微組織形貌,如圖 5所示。1號鉆桿變形處的顯微組織與2號鉆桿管 體材料的顯微組織相同,均為回火索氏體,晶粒度為 10級。

在圖3和圖4所示的1號鉆桿試樣沿整個圓周標注的1、2、3、4、5號咬痕位置取樣,進行金相檢驗 和咬痕深度分析,金相試樣用4%(體積分數(shù))的硝 酸酒精溶液浸蝕,然后在 GX51型倒置金相顯微鏡 下觀察橫截面顯微組織形貌,分析結果見表4。可 見咬痕處的組織均發(fā)生了變形,但組織無異常,均為 回火索氏體。

2 分析與討論

2.1 材料質量

通過對失效鉆桿試樣和同批次鉆桿試樣的分析 可知,鉆桿的化學成分和力學性能符合 APISpec 5DP—2009的要求,失效鉆桿擠扁變形處的硬度和 組織無異常,表明鉆桿擠扁與材料無關。

2.2 卡瓦夾持

卡瓦是鉆井作業(yè)中鉆具起下鉆時常用的井口工 具,139.7mm 鉆桿使用的卡瓦實物圖見圖6a),結 構示意圖見圖6b)。由圖6可知,卡瓦由3頁卡瓦 體組成,每頁卡瓦體上分布有3列牙板,每列牙板間 的間距為10mm。中間卡瓦頁與左、右卡瓦頁間的 牙板間隙為30mm。當卡瓦坐掛鉆桿時,卡瓦上的 各牙板與管體均勻接觸,在鉆桿本體外表面留下均 勻的咬痕,即各牙板受力均勻,圖6c)所示為現(xiàn)場試 驗卡瓦與鉆桿管體正常接觸時在管體留下的咬痕 形貌。

卡瓦牙板對鉆桿夾緊的示意圖如圖7所示,擠 扁失效的區(qū)域在左右兩側牙板的中間,如圖中所示。 對失效鉆桿的牙板咬痕進行觀察,可觀察到3頁卡 瓦頁對應的牙板咬痕并不均勻,且每一頁卡瓦上的 3列牙板的咬痕也不均勻,甚至沿管體軸向方向,每 一列牙板的不同牙板的咬痕也不均勻,如圖8所示。 圖8a)和b)所示的為變形位置左、右側牙板咬痕, 3列牙痕中兩側的牙痕較深,中間列較淺,且每一個 牙板沿圓周方向的每個牙齒的咬痕也是由深到淺。 圖8c)所示為變形位置對面的卡瓦頁所留下的咬 痕,可以看出,這頁牙板的3列牙痕是中間列深,兩 側列淺。

咬痕的深淺直觀表現(xiàn)了卡瓦上牙板與管體的接 觸應力情況,接觸應力越大,對管體的咬痕越深。同 時,鉆桿管體在整個圓周的咬痕深度的差異,說明鉆 桿管體與卡瓦牙板間的接觸不均勻,咬痕深的區(qū)域, 接觸應力大,管體承受的外擠壓力大。金相檢驗結果顯示兩側牙板的咬痕深度較深,其中1號、2號、 5號咬痕為左右兩側的牙板留下的最深咬痕,平均 深度約0.88mm;中間的牙板咬痕相對要淺一些,其 中3號、4號咬痕為該中間牙板留下的最深咬痕,平 均深度約0.48mm。兩側牙板的咬痕深度是中間牙 板咬痕深度2倍左右,說明擠扁失效鉆桿在服役時 卡瓦左右兩側的牙板對其施加的徑向應力要比中間 牙板對鉆桿的徑向應力大得多。

2.3 卡瓦夾持鉆桿受力分析

依據(jù)APINS-1、DS-1標準5.12可以得知,井下 鉆柱懸質量產(chǎn)生的單元拉升應力St 會形成環(huán)向應 力Sh,環(huán)向應力為很多因素的函數(shù),如卡瓦長度、卡 瓦和卡瓦座之間的摩擦因數(shù)、管體外徑、所用設備的 情況以及其他的因素。定義Sh/St 為這些因素組合條件下的卡瓦擠壞常數(shù)。

確定避免卡瓦擠壞時的承載能力足夠,首先用 下式確定鉆桿的有效承載能力:

式中:ESCC 為有效承載能力;SCC 為額定承載能力; DF 為拉伸系數(shù)。

不發(fā)生卡瓦擠壞可接受的載荷條件必須滿足下 式:

式中:F拉伸 為拉伸載荷。

該 次 S135 鋼 級 鉆 桿 的 拉 伸 載 荷 約 為 136000kg(即懸重),設定拉伸系數(shù)DF =1.15,根據(jù) 鉆桿及卡瓦的規(guī)格,查DS-1標準表可得 Sh St =1.27。

S135鋼級鉆桿的額定承載能力為357000kg (查DS-1標準得到)。根據(jù)式(1)和式(2)可得,有 效承載能力約為310500kg,136000kg×1.27= 173000kg≤310500kg。

計算結果說明當時井下鉆具的懸質量滿足卡瓦 擠壞的承載能力。但是,這種計算是基于鉆桿和懸 掛裝置良好,卡瓦和管體整個接觸面載荷分布均勻。 本次鉆桿外壁從宏觀分析和微觀分析都表明了卡瓦 和管體整個接觸面載荷分布是不均勻的,這會降低 卡瓦系統(tǒng)的承載能力。設定卡瓦牙與鉆桿之間的摩 擦因數(shù)為μ,卡瓦對鉆桿的徑向作用力為F,井下鉆 具懸重為G,當鉆桿坐在卡瓦座上時滿足公式:

在式(3)中,徑向作用力F 為3個卡瓦牙板對 鉆桿的徑向作用力之和,左側牙板、右側牙板和中間 牙板的對鉆桿的徑向作用力分別為F1、F2、F3,那 么則有:

每個牙板與鉆桿管體的理論接觸面積為S,中 間牙板對鉆桿的總體咬痕深度較淺,說明當時F3 較低,為了保證平衡,F1 和F2 會增大。同時由于 接觸不均勻,左側牙板和右側牙板與鉆桿外壁的實 際接觸面積S0 要小于S。同時,由于牙板使用時間較長,牙板磨損較為嚴重,導致牙板局部區(qū)域的接觸 力也是分布不均勻的,最后在在牙板較為突出的區(qū) 域會對鉆桿形成較大的應力,并且超過了鉆桿的屈 服強度[7-9],使得鉆桿在該區(qū)域發(fā)生塑性變形。

3 結論及建議

鉆桿發(fā)生擠扁失效的原因為鉆桿在鉆臺坐卡過 程中,管體與卡瓦之間的嚙合接觸不均勻,局部的接 觸應力超過了鉆桿管體的屈服強度而使鉆桿管體發(fā) 生塑性變形,卡瓦牙板磨損較為嚴重是導致卡瓦對 鉆桿的應力分布不均勻的主要原因。

建議使用的卡瓦與鉆桿規(guī)格要相對應,避免卡 瓦內(nèi)徑與鉆桿外徑不同;避免新舊牙板混裝使得鉆 桿受力不均勻;避免使用已經(jīng)壞掉的牙板;保證卡瓦 與鉆臺補芯配合;保證井眼軸線與井架中心線在同 一軸線上。

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<文章來源 >材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 57卷 > 10期 (pp:55-59)＞